40吨氧气顶吹转炉设计与研究论文

1、遵化建龙钢铁有限公司40吨氧气顶吹转炉设计与研究 目录目录1摘要21.概述32.主要技术性能32.1炉体组件32.2倾动装置42.3转炉操作时间表73.结构介绍及有关计算73.1炉体组件73.2全悬挂倾动装置组件113.3倾动装置设计计算183.4转炉工作概况224.结束语22参考文献24摘要 转炉系统是炼钢厂的中心环节，这个部分的工艺布置、设备装备以及机械化和自动化水平都直接关系到整个炼钢厂的先进程度。氧气顶吹转炉炼钢自出现之日起，之所以能够取得迅速的发展，其原因主要在与和其它炼钢法相比,它有一系列的优越性。它不仅生产效率高，投资少,成本低,对原料的适应性也很强，冶炼的钢质量好、品种多，适于

2、高度机械化和自动化生产，这在以往国内外及首钢公司的炼钢生产中已得到了充分的认证。本文着重介绍了我们为遵化建龙钢铁有限公司设计的40吨氧气顶吹转炉的结构、工作概况以及在设计中我们所采用的先进技术，总结了在这次设计中取得的一些成果，进行了认真的研究，并对今后中小转炉设计应注意的问题，提出了一些好的建议。1.概述 随着我国钢铁工业的飞速发展，以前国内大量的小型转炉设备，由于生产效率低、能耗高、环境污染严重；将退出历史舞台，为节约投资，在原有小钢厂厂房结构不做大的变动情况下，设计能适应这种厂房条件的非标转炉具有非常重要的意义，遵化建龙钢铁有限公司40吨氧气顶吹转炉就是在这种背景下设计的； 为此，我们通

3、过对国内该级别的几个小炼钢厂进行的考察分析，并结合我院以往的设计经验，初步确定了转炉的基本设计方案，其主要结构是：四点啮合全悬挂转炉倾动装置；转炉整体焊接，水冷炉口、炉帽，预留底吹孔，为今后顶底复合吹炼做了充分的准备；托圈为整体焊接结构，采用三点球铰的型式联接炉壳与托圈；这个方案经与遵钢有关部门讨论后，获得通过并实施。2.主要技术性能2.1炉体组件2.1.1 公称容量: 40t2.1.2 转炉新炉出钢量: 38t 最大出钢量: 45t2.1.3 炉体内径: 4290mm 炉体外径: 4380mm 炉体壁厚: 45mm 炉体总高: 7050mm2.1.4 炉壳容量: 砌砖后炉容: 32.7 m3

4、 炉容比: 0.862.1.5 炉口结构: 水冷炉口(铸管式)2.1.6 炉帽结构: 水冷炉帽2.1.7 挡渣板结构: 双层钢板焊接式2.1.8 托圈结构: 箱型结构(水冷耳轴) 炉壳与托圈间隙: 120mm2.1.9 耳轴轴承: 双列向心滚子轴承2.2 倾动装置2.2.1 型式: 四点啮合全悬挂扭力杆式(交流变频调速)2.2.2 最大工作倾动力矩: 100t.m2.2.3 最大事故倾动力矩: 300t.m2.2.4 倾动角度: 360 2.2.5 倾动速度: 0.21r/min2.2.6 一次减速机: 中心距: 1280.675mm 速比: 98.82 数量: 4台2.2.7 二次减速机:

5、中心距: 1610mm 速比: 7 数量: 1台2.2.8 总速比: 691.742.2.9 主传动电机(交流变频调速): 型号: ytaf1280m-8(其中两台带光电编码器) 功率: 37kw 转速: 725r/min 电压: ac.380v 变频范围: 550hz 绝缘等级: h级 防护等级: ip54 工作制: 3060次/小时 短时过载力矩: 3倍额定力矩 启动力矩: 1.5倍额定力矩 数量:4台2.2.10制动器: 型号: ywz5-400/121 制动轮直径: 400mm 制动力矩: 11201800 n.m 推动器型号: ed121/6 电机功率: 330w 电压: ac.38

6、0v 数量: 4台2.2.11 联轴器: 型式: 带制动轮的柱销联轴器 制动轮直径: 400mm 最大传递力矩: 2000n.m 数量: 4台2.2.12 主令控制器: 型号: lkt8-168/4 速比: 1:1 总电路数: 16 电压: ac.380v，50hz 数量: 1台2.2.13 稀油润滑站: 型号: xyz-100g 供油压力: 0.4mpa 电机电压: ac.380v，50hz 公称流量: 100l/min 数量: 1台2.3转炉操作时间表作业内容加废钢兑铁水降烟罩吹氧测温取样后吹出钢出渣护炉其他合计时间（min）2.53.50.516.03.03.03.52.04.02.04

7、03.结构介绍及有关计算本氧气顶吹转炉结构由炉体组件和全悬挂倾动装置组件组合而成。3.1.炉体组件炉体组件是由六个分组件:炉体，托圈，炉壳与托圈联接装置，主动端耳轴轴承座，被动端耳轴轴承座，转炉水冷系统等组合而成。3.1.1 炉体分组件由炉壳，水冷炉口，挡渣板等组成。炉壳共分四段，由炉帽，炉身，炉底下锥段及大活炉底组成，均采用低合金结构钢板制作，其中，炉身钢板厚度为45毫米， 其他部分为40毫米，炉帽是炉壳的上部，制成圆锥形，利用钢板卷曲， 焊接而成;并在其上设置有环管及角钢焊接而成的水冷壁，通水冷却，延长炉帽的使用寿命，并减少其受热变形，炉身是炉壳中间部分，为圆筒形结构，其上与炉帽焊接，它是

8、炉体承载的主要部分，钢水，耐火材料， 炉壳重量均通过炉身和炉体与托圈联接装置传递到托圈和支承装置上， 出钢口设置在炉帽下半部，炉身上焊有一圈厚120毫米的环板，用来安装炉体与托圈联接装置。炉底下截锥段上口与炉身焊接，下口焊有12个上吊架，待炉壳装入托圈后，配合大活炉底中的下吊架的实际位置现场焊接。大活炉底也采用40毫米钢板焊接而成;其主体部分采用钢板拼接后压制成型，其上口焊有12个下吊架，其下部焊有支撑架用来配合炉底车安装大活炉底。大活炉底与炉身的连接通过12对上下吊架用12条吊挂螺栓楔紧，上吊架焊后进行局部去应力退火。水冷炉口为一整体结构，采用球墨铸铁，内放往复蛇形钢管浇合为一整体，用12条

9、高强销轴楔紧，固定在炉壳上口。挡渣板有多块钢板组成，钢板厚度为16毫米，分为上下两层，上层板焊于炉帽上，下层板焊于球铰装置联接安装环板上，在球铰联接装置安装位置处，挡渣板制成凸起护板以保护球铰联接装置，其它板的焊接以保护托圈为原则。3.1.2 托圈由托圈本体，主动端耳轴及被动端耳轴组成，托圈本体采用箱式钢板焊接结构，材质均为16mn钢板，上下盖板厚为80毫米，内外腹板厚为55毫米，采用整体设计，制造及运输，不作剖分，两端耳轴座均采用zg20mnmo材质铸造，粗加工后于箱形结构焊接为一体，主动端耳轴采用37simn2mov，从动端耳轴则采用35crmo材质，均为锻制加工而成，它与托圈本体上的耳轴

10、座采用过盈联接，主从动端耳轴与耳轴座结合面均放置4个80200的剪切销。剪切销和耳轴中心线成5夹角，4个1组， 上、下剪切销相对耳轴中心线倾斜方向相反，以适应转炉正反转的需要。3.1.3炉体与托圈联接装置采用三支点自调螺栓联接式。该装置采用三个支承点支承在托圈上，其支承装置采用带球面垫圈的自调螺栓将炉体与托圈联接在一起，三个螺栓在圆周上呈120度布置，其中两个在出钢侧与耳轴轴线成30度的夹角上，另一个在装料侧与耳轴轴线成90度的位置上，炉体的垂直重量有着三个点来支承，另外，本装置在托圈的上部有三组卡板;其中两组位于两耳轴的上部，另一组位于出钢口的下方，在托圈的下部有四组卡板，分别位于与耳轴轴线

11、成30度夹角的位置上，当炉壳产生热胀冷缩位移时，自调螺栓本身倾斜并靠其球面垫圈自动调位，使炉壳中心位置保持不变，七组卡板除可使转炉中心位置保持不变外，当转炉倾动到水平位置时，也可以把转炉的负荷传给托圈。3.1.4 主动端轴承座是采用双列向心滚子轴承，将其设计成轴向固定结构，在靠转炉一侧设有挡渣板，并固定在轴承座上;轴承端盖为双层密封，轴承座为剖分式结构，采用zg270-500铸造而成;整个轴承座支架采用钢板焊接结构。3.1.5 从动端轴承座为铰链式轴承支座，耳轴轴承处和主动端轴承该处结构相同，轴承固定在轴承座上，轴承座通过两个铰链支承在基础上，两个铰链的销轴在同一轴线上，此轴线位于与耳轴轴线垂

12、直的方向上，依靠支座的摆动来补偿耳轴轴线的位移。3.1.6转炉水冷系统包括炉口水冷，炉帽水冷，及托圈两耳轴水冷;炉口和炉帽的冷却水是由装在从动端耳轴上的四孔旋转接头进入耳轴，在由耳轴法兰处接管分别进入炉口、炉帽;在水流通过从动端耳轴时，也同时起到了冷却从动耳轴的作用， 从动端耳轴有六个孔，其中四个为水冷炉口， 水冷炉帽的进出水口，另两个为转炉复吹预留孔;四孔旋转接头的结构为:中心设一直径为320毫米的长销轴，在其周向均布由四个长短不一的盲孔，分别在其末端沿径向打孔与之连通，其外套为四节环形套筒，与长销轴密封，每节外套对应一路，长销轴固定在耳轴上，随耳轴旋转;长耳轴水冷也是采用循环冷却，长耳轴中

13、心开一个250毫米的通孔，在耳轴内侧(靠近转炉一侧)用一端盖将通孔的一端封闭，另一端封闭通孔的端盖上开一圆孔，在此处将主动端耳轴水冷旋转接头安装上，接头法兰固定在端盖上，中间双层冷却管插入耳轴内腔，中间细管为进水管，外层为回水管，形成循环冷却长耳轴。3.2 全悬挂倾动装置组件全悬挂倾动装置组件是由:一次减速机，二次减速机，扭力杆装置，控制设备安装及倾动装置稀油润滑系统组成。倾动机械通过转动炉体来完成转炉兑铁水、出渣、出钢、修炉等一系列工艺操作，因此倾动机械是实现转炉炼钢生产的关键设备之一。它的工作特点是：1) 低转速大减速比；2) 重载大倾动力矩；3) 起动、制动频繁，承受较大动载荷。3.2.

14、1根据倾动机械的工作特点和工艺操作要求，倾动机械应具有以下性能：1）倾动机械驱动着转炉能连续回转360，并可停在任意倾角位置上，还应根据工艺操作要求具有调速性能。2）在运转过程中，必须具有最大的安全可靠性，即使电气或机械中某一部分发生故障，倾动机械应有能力继续进行短时运转，维持到一炉钢冶炼结束。3）倾动机械应具有良好的柔性性能，以缓冲撞击产生的动载荷和起制动所产生的扭振，此外，倾动机械还应对事故载荷具有保护能力。4）结构紧凑、重量轻、机械效率高，安装、维护方便。3.2.2 40吨转炉倾动机械的选型及设备组成在转炉倾动装置结构上，主要出现了三种不同的结构形式，即落地式、半悬挂式和全悬挂式：1)

15、落地式落地式是最早采用的转炉倾动装置的结构形式，它的布置特点是：全部传动机构均安装在转炉基础上，通过联轴器或大齿轮与耳轴连接，实现转炉的倾翻。图1为某厂6吨转炉落地式倾动机械。 图1 某厂6吨转炉落地式倾动机械。它采用小齿轮带动装在耳轴上的大齿轮实现炉体倾动。当托圈受载下凹变形严重，引起耳轴轴线发生较大偏斜时，齿轮间正常的啮合关系被破坏，这不但降低齿轮的承载能力，而且加速了齿轮的磨损和破坏。为解决这个问题，采用在倾动机械与耳轴之间加万向联轴器或圆弧齿形联轴器的方法，它可以允许耳轴有一定的倾斜而不影响传动装置的正常工作。落地式倾动机械一般用于小型转炉，它的缺点是倾动设备庞大，占用转炉操作平台面积

16、，设备投资大，啮合点数受到限制，运转的安全性，特别是对事故状态下的应付能力较差等。2)半悬挂式半悬挂式是在落地式的基础上发展起来的倾动装置结构形式，其特点是将最末一级齿轮副的主动小齿轮装在该齿轮副的壳体上，与大齿轮一起都悬挂在耳轴上，而其它部件仍安装在基础上。初级减速机与末级减速机（即悬挂减速机）之间，仍用万向联轴器或齿形联轴器连结。图2为某厂30吨转炉半悬挂式倾动装置。为了防止悬挂减速机的壳体绕耳轴回转，在悬挂减速机壳体下面设有专门的止动装置。常用的止动装置有三种结构形式：第一种是止动杆止动形式，第二种是浮动块铰链止动形式，第三种为双支点止动形式。我国多采用前两种形式。半悬挂式倾动机械能适应

17、托圈的下凹变形，克服了末级减速机齿轮啮合的不良影响，但由于初级减速机与末级减速机之间仍有联轴器，占地面积仍然比较大，布置不够紧凑。适合中、小型转炉。3) 全悬挂式全悬挂式倾动装置的特点是从电动机到末级齿轮传动副全部传动装置都悬挂在耳轴上。以前的全悬挂式倾动装置仅作为减小倾动机械重量和占地面积的措施，而没有充分考虑降低冲击及扭振疲劳的作用，随着技术的不断进步，目前根据缓冲止动装置结构形式的不同，可分为以下三种：一是带有弹性缓冲装置的全悬挂倾动装置，它的结构是一端通过末级减速机底座下面的横梁相连，另一端通过球铰与固定在基础上的支座相连接；弹簧缓冲止动扭矩平衡装置的作用，并阻止悬挂减速机转动。这种缓

18、冲装置零件较多，不能长期有效工作。二是带橡胶块缓冲止动装置，它比弹簧式寿命长些，但仍然零件较多，而且多用水平配置的结构，使耳轴轴承受水平力和耳轴轴承座受倾翻力矩，增加了耳轴轴承座和轴承的负荷，所以被新的扭力杆缓冲止动扭矩平衡装置所替代。三是带有扭力杆缓冲止动装置的全悬挂倾动装置，这种缓冲止动装置通过两根垂直拉（压）杆把倾动力矩引起的悬挂减速机机壳的旋转力矩转变为作用在水平杆（即扭力杆）上的扭矩和扭力杆支座上的垂直力。扭力杆通过本身的弹性变形与作用在杆上的扭矩平衡，并通过扭力杆支座将悬挂减速机的旋转力矩产生的垂直力传推到基础上平衡掉。这种装置不使耳轴轴承受附加水平力，不使耳轴轴承受倾翻力矩，同时

19、这种缓冲止动装置零、部件较少，使用寿命长，缓冲及减振性能好。综上所述，全悬挂式倾动装置一般都采用多电机、多初级减速机共同带动悬挂在耳轴上的大齿轮使转炉倾动，即多点啮合，这种多驱动的优点在于：当一个驱动系统发生事故时，其它系统仍可维持工作，直到一炉钢水冶炼结束，具有较强的备用能力；并且还能充分发挥大齿轮的作用，单个小齿轮传力减小，设备重量和尺寸也相应减少。总之，全悬挂扭力杆式多点啮合的倾动装置较好地满足了倾动装置的设计要求，在国内、国外转炉设计中得到了普遍采用。综合比较，40吨转炉倾动机构的设计中，我们采用了四点啮合全悬挂扭力杆倾动装置的结构形式，其具体结构简述如下：3.2.3一次减速机为硬齿面

20、三级封闭式减速机，上下箱体均为钢板焊接结构，齿轮和齿轮轴均采用高级优质合金钢制作，低速级大齿轮与第四级小齿轮联为一体，整个减速机与二次减速机用螺栓联接，并用台肩紧密配合定位，其结构形式左右相互通用，润滑采用油浴润滑。3.2.4二次减速机的结构是由四个齿轮同时与一个大齿轮啮合，大齿轮采用铸造结构，材质为zg40mn2， 其轮毂的孔通过切向键与主动耳轴联接，其上下箱体均采用低合金钢板焊接而成，其靠近转炉侧支承轴承为单列圆柱辊子轴承，尺寸为: 950/ 1250 175。另一侧轴承为双列圆锥滚子轴承，尺寸为: 950/1250300，可以承受轴向力; 箱体下部两边与扭力杆装置联接，一次减速机，电动机

21、和制动器等均通过支座与二次箱用螺栓联接。3.2.5扭力杆装置通过心轴曲柄，关节轴承和上下联接座与二次减速机相连，上下联接座中间以螺栓联接，用垫片来调整联接中心距，曲柄与扭力杆以柱销联接，扭力杆两端采用关节轴承及轴承座支承，为防止扭力杆过载，还装有事故挡块，当倾动力矩过大时，二次箱底部与事故挡块靠紧，扭力杆受力不再继续增大，避免扭力杆发生断裂。3.2.6 转炉控制设备主要包括光电编码器，和主令控制器;其中光电编码器由电机制造厂安装在电机尾部; 主令控制器安装在一个钢板焊接的架子上，架子通过螺栓与二次减速机的外侧端相连接， 主令控制器通过一对相同齿轮和主动端耳轴联接，一个齿轮和主令控制器轴端连结，

22、另一个齿轮用螺栓与和耳轴连为一体的端盖紧固，当转炉倾动时， 控制设备也跟着产生动作，发出信号，以便于工艺操作。3.2.7 倾动装置润滑系统的作用是为二次减速机进行集中润滑，它包括xyz-100g润滑站一台和润滑管路附件及流量计，截止阀和针型阀等。本系统采用 320工业齿轮油，润滑站有两台流量为100升/分的齿轮泵供油，一台正常工作，一台备用;当工作泵损坏时，自动切换到另一台工作。本润滑站带有冷却器和电加热器，可对油温进行控制，系统的压力由压力开关控制，当液位达到上限或下限时，液位开关将发出报警信号，为了保证各润滑点达到设计所需的供油量，在进入各轴承及四个啮合点的管道上均设有计量检测器件，以便进

23、行流量的调整。3.2.8通过以上的选型、配置和设计，该套四点啮合全悬挂扭力杆倾动机械具有以下特点：1) 整套倾动机械全部悬挂在耳轴上，能够适应运转中耳轴的挠曲变形，从而保持齿轮传动系统的良好啮合。2) 四台直流电动机及四台一次减速机同时驱动二次减速机的一个大齿轮，构成四个啮合区，分担倾动负载，从而减小了、二次减速机的大齿轮尺寸及重量，便于加工制造及提高齿轮精度，一台电动机发生故障，另外三台电动机仍能短期运转，提高了运转的可靠性。3) 采用扭力杆柔性缓冲装置，用来平衡转炉倾动时引起二次减速机的旋转力矩，并可吸收和缓冲正、反倾动时交替产生的冲击，极大地降低了冲击及扭振的不良作用，还可将二次减速机壳

24、体上的旋转反力，通过扭力杆支座作为垂直力传到基础上。4) 为了防止过载，引起扭力杆破坏，在二次减速机壳体下方，设有弹性止动支座。，当倾动力矩超过正常工作力矩的3倍时，二次减速机箱体底部与支座的最小间隙消除，二次减速机壳体底部与止动支座接触，扭力杆不再承受更大的力矩。5) 整体组装，工作可靠，二次减速机壳体是整体分箱式的，齿轮啮合的中心误差由加工精度来控制，以后即使多次拆装，中心距也不会变动。6) 一次减速机采用硬齿面齿轮，从而大大地减小了整个倾动机械的外形尺寸及重量，并可大大地提高使用寿命。7) 结构紧凑，占地面积小，土建基础小而简单，重量轻。3.3倾动装置设计计算3.3.1转炉倾动力矩的计算

25、倾动力矩是转炉倾动机械设计的重要参数，是倾动机械设计的依据。转炉倾动力矩由三部分组成：m=mk+ my +mm式中：mk空炉力矩（由炉壳和炉衬重量引起的静阻力矩），空炉重心与耳轴中心的距离是不变的，在倾动过程中，空炉力矩mk与倾动角度存在正弦函数关系。my 炉液力矩炉内液体（包括铁水和渣）引起的静阻力矩，在倾动过程中，炉液的重心位置是变化的，出钢时其重量也发生变化，均随倾动角度的变化而变化，故my和倾动角度也存在函数关系。mm 转炉耳轴上的摩擦力矩，在出钢过程中其值也有变化，但其值较小，为了计算简便，在倾动过程中可视为常量。由此看来，摩擦力矩可视为常量，空炉力矩也因空炉重心不变计算很简单，而炉

26、液的倾动力矩由于重心随倾角改变而改变，且在出钢过程中炉液的重量也在发生变化，因此不能直接用初等函数来计算。我们通过建立合理的数学模型，采用计算机分段数值积分，开发了一套转炉倾动力矩计算及曲线绘制的软件，由于篇幅有限，模型建立及算法设计过程从略。下面即是由该程序计算并绘制的40吨转炉倾动力矩曲线图。图中显示转炉最大倾动力矩为mmax=94.41t.m；为保险起见，设计时取mmax=100t.m。3.3.2.电机功率计算及型号选择所需电机功率为：n=k1k2 mmax n/(975z)式中：k1考虑到电压降引起的误差及倾动力矩计算误差，取1.1；k2考虑多台电机倾动不同步造成的误差，取为1.1；m

27、max转炉最大倾动力矩，此处为100 t.m；n转炉倾动速度，为0.2-1rpm；传动总效率，包括齿轮传动效率、联轴器传动效率及耳轴轴承效率，取0.9；z电机台数，此处z=4；当四台电机工作，转速为1rpm时，所需的每台电机功率为34.5kw，据此本设计选用交流变频调速电动机，其性能参数为：型号: ytaf1280m-8(其中两台带光电编码器) ， 功率: 37kw， 转速: 725r/min， 电压: ac.380v，50hz，变频范围: 550hz，绝缘等级: h级， 防护等级: ip54，工作制: 3060次/小时， 短时过载力矩: 3倍额定力矩， 启动力矩: 1.5倍额定力矩。3.3.3电机过载校核1）塌炉过载转炉最大力矩是塌炉力矩，通常为正常工作最大力矩的3倍，因此，要求电机最大过载力矩比3倍最大力矩大，即：3mmax975nz/（kn）-电机短时过载系数:33mmax=300t.m975nz/（kn）=322t.m所以电机过载能力足够。2）事故过载当一台电机出现故障时，另外三台电机能继续工作，直到一炉钢冶炼完毕。三台电机过载产生的力矩为：m=975n（z-1）/（kn）=241.5t.m mmax =100t.m